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薄煤层综采设备面面观 2010/6/28 9:19:39点击:20496
    信息提供:技术中心科技管理部   作者:窦克林
    我国是一个煤炭资源比较丰富的国家,但一个不能忽视的现实是,在我国的可采煤层中,薄煤层占据了很大一部分。据有关统计数据显示,在我国已探明的煤矿资源中,84.2%的矿区均有薄煤层分布,主要分布在河南、山西、河北、山东、四川、贵州、吉林、辽宁、安徽、内蒙古等省区,其中有的矿区薄煤层储量更是占有相当大的比重,如安徽省占到了72%,四川省占51.8%,贵州省占37.2%。
   我国长期以来以煤为主的能源结构导致了对煤炭资源的依赖。经过多年的开采,不少矿井的中、厚煤层已近枯竭。而一些矿区的薄煤层可采储量丰富,贮存条件比较稳定,而且煤质较好,因而这些年对薄煤层的开采力度在逐渐加大,薄及较薄煤层逐渐变为主采煤层。与此同时,随着对薄煤层开采的日益重视,薄煤层采煤设备的开发和研制也成为我国一些煤矿机械企业研发的重点,并有了较大的发展。

目前薄煤层主要采掘方式
    据记者调查,通过近些年的发展,目前国内薄煤层综合机械化开采水平已大为提高,形成了三种主要的开采方式:刨煤机配液压支架综合机械化开采方法、滚筒采煤机配液压支架综合机械化开采方法、螺旋钻采煤法。
    刨煤机配液压支架综合机械化开采方法:刨煤机是一种十分成功的薄煤层开采装备,能极大提高煤炭生产效率。一般刨煤机的切割速度可达到3米/秒,切割功率超过2×200千瓦。根据煤的硬度,每刀截深可达到250毫米。目前,工作面输送机和刨煤机均可采用智能驱动系统,加上可靠的支架控制系统,可使采煤工作面实现全部自动化。
    据山东省武所屯生建煤矿技术专家梁洪光介绍,用刨煤机开采薄煤层有如下优点:(1)可以实现落煤、装煤、运煤的联合机械化。(2)刨煤机动力部分放在两侧巷道中,不进工作面。另外刨头较低,适用薄煤层工作面。(3)刨煤机结构简单,没有复杂的液压元件和液压系统,使用、维修方便。(4)可开采有突出危险的煤层。可以沿工作面煤壁刨出一道深20毫米~100毫米的煤槽,使瓦斯自然释放,防止瓦斯聚集。(5)操作安全。刨煤机司机可以在工作面下端或顺槽里操作,无须在工作面内跟机作业。(6)同电液控制的液压支架配套后,可实现由井下计算机控制的无人工作面作业。
    另一种薄煤层采煤方式——滚筒采煤机配液压支架综合机械化法也是一种目前广为应用的开采方法。据记者了解,薄煤层滚筒采煤机在我国已有30年的研制历史,并已开发出多种机型,从液压驱动、钢丝绳或链牵引发展到目前电牵引。现在国产薄煤层滚筒采煤机基本可以满足煤层厚度0.8米~1.8米,煤质中硬以下的缓倾斜薄煤层开采需求。与刨煤机相比,滚筒采煤机的主要优点是可以适应于煤层厚度变化较大的工作面,对煤层顶底板起伏变化适应性强,适用于含有夹矸煤层的回采,过断层能力强,对工作面长度要求比刨煤机工作面短。
    据专家介绍,薄煤层滚筒采煤机基本可分为骑溜式和爬底板式两种。前者具有结构简单、牵引阻力低及空顶面积小等特点、但因采煤机骑溜运行,故通过空间和过顶空间大,需要有较高的空间。后者则具有结构紧凑、机械强度高、滚筒拆卸方便、装煤效果好、易于制造和维修方便等特点,但采煤机爬底板运行时,控顶距离较大,所以当采高在0.85米以下时宜采用爬底板式采煤机,如采高在0.85米以上时,还是采用骑溜式采煤机较好。专家同时建议,为实现无切口采煤,最好选用短机身双滚筒采煤机。鉴于采煤机司机跟机操作不方便,最好采用具有遥控功能的采煤机。
    螺旋钻采煤法是目前无人采煤工作面中较为成熟的一种方法。这种采煤法广泛地用于开采围岩不稳定的薄煤层和极薄煤层,还可用于开采边角煤和回收各种煤柱。螺旋钻采煤法的最大特点是不需回采工作面及不需回撤工作面内的采煤机、输送机和支护设备,仅在巷道中用螺旋钻采煤机就可将两侧各50米~70米范围内的煤采出。工人在支护条件良好的巷道中工作,安全状况有了可靠的保障,改变了薄煤层回采工人在工作面内爬行的工作状况。螺旋钻采煤机适用于煤厚0.45米~1.5米,倾角15°以下,切割阻力小于250千牛/米~330千牛/米的煤层。
    螺旋钻采煤法尽管丢煤多,但用人少,巷道掘进率高,同时还可使一些平衡表外的储量得到开采,相对提高了工业储量,延长了矿井的服务年限。专家预计,随着螺旋钻采煤法的不断完善,此种采煤方法将有较好的发展前景。

薄煤层采煤的核心设备
    从这三种综合采掘方式中,我们可以看到,液压支架、采煤机、运输机是目前进行薄煤层开采的“三大件”。在对薄煤层的采掘越来越重视的今天,我国这三种核心设备的研发生产能力如何呢?
    为此,记者采访了河北金牛能源股份有限公司生产部技术专家苗青,苗青向记者详细介绍了这三类核心设备的具体情况和发展前景。
    液压支架是薄煤层综采的关键设备之一,对煤层地质条件要有很强的适应能力和可靠的工作性能。它能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板,推进输送机,隔离采空区,防止矸石进入回采工作面。它与采煤机配套使用,可以实现采煤综合机械化,解决机械化采煤工作中顶板管理落后于采煤工作的矛盾,进一步改善和提高采煤和运输设备的效能,减轻煤矿工人的劳动强度,最大限度保障煤矿工人的生命安全。
    液压支架的型式很多。根据液压支架与顶板相互作用的原理进行分类,液压支架可分为三大类:支撑式、掩护式、支撑掩护式。支撑式支架有跺式支架和节式支架两种;掩护式支架有支顶式和支掩式两种;支撑掩护式有支顶式和混合式两种。还有一种是具有中国特色的液压支架类型——放顶煤支架。另外按照控制系统和工作阻力的分类,液压支架还可以分为低端液压支架,工作阻力在10000千牛以下,操纵阀采用手动控制的;高端液压支架或者说一次采全高支架,工作阻力在10000千牛以上,操纵阀采用电液伺服控制。
    近年来,我国液压支架的研制工作发展很快,从基本上依靠进口,发展到可以自行设计、自行制造,而且品种繁多、功能齐全、质量可靠。目前国内比较有实力的煤矿机械厂都已经能够自主生产制造此种设备。
    采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统。采煤机的工作环境恶劣,如果出现故障将会导致整个采煤工作的中断,造成巨大的经济损失。随着煤炭工业的发展,采煤机的功能越来越多,其自身的结构、组成也愈加复杂,因而发生故障的原因也随之复杂。
    薄煤层开采由于其特殊的地质条件,对采煤机又有特定的要求。薄煤层开采其中一个很大的困难就是设备的拆装和运输。对薄煤层采煤机来说,首先的要求就是灵活,能够适应薄煤层工作面。再次就是要求结构、操作简单,有可靠的工作性能,各零部件具有较高的强度和刚性,要有很好的安装性和维修性。其中双滚筒采煤机综合了国内外薄煤层采煤机的成功经验,是针对我国具体国情而设计的新型大功率薄煤层采煤机。
    据记者了解,目前我国有关部门正在从事着采煤机技术领域的多项科研课题的研究,例如:适应有夹矸煤层的半煤岩采煤机的研制;增大块煤率的滚筒无级调速研究;液压牵引采煤机和无线遥控技术的应用研究;电牵引采煤机水介质调高及高压喷雾灭尘系统研究,包括利用工作面的乳化液作为传动介质的调高系统研究;特殊条件下开采的采煤设备研究,如螺旋钻式采煤机的开发;故障诊断、工况监测、显示及自动控制和自动调高系统的研究;大功率电牵引采煤机(1000千瓦以上)的研制等。国家期望通过对这些内容的研究,使我国采煤机械的性能更为完善,适应范围更广,效率更高,从而使国内采煤机械技术达到国际先进水平。
    薄煤层开采对运输机有以下几个要求:运输能力满足要求,槽帮、链条耐磨强度高,电缆架在满足存放电缆、水管的前提下,结构尽可能低、窄。由于薄煤层出煤的稳定性较差,地质构造复杂,煤层薄厚不均,在经历较大范围的断层构造带或煤层变薄区时,输送机容易出现一些不足。比如,运输机在通过薄煤区时,容易出现断链、槽帮磨薄、中板磨透等事故。这些事故一旦出现,会使修复和更换溜槽费时费力,影响生产的正常节奏。
    此外,薄煤层煤炭资源的开采对运输机的要求比较高,运输机的一些性能参数必须要进行强化,例如增大刮板链安全速度,加厚中板厚度,铲板侧槽帮上槽翼加厚;为采煤机提供更加稳固的轨道,采用行星减速器使传动机构更为紧凑;增大两出口的有效空间,这些措施可以保证运输机更加高效、安全地运行。

薄煤层采煤设备发展展望
    目前,我国薄煤层综合采掘设备的生产已经有了一定规模。据记者了解,以中煤北京煤矿机械有限责任公司为代表的国内多家国有大中型企业目前都已具备了薄煤层综合采掘设备的生产能力,有业内专家表示,国产设备较国外同类设备的差距主要集中在采煤机上。记者为此采访了大同煤矿集团机电管理处专家致美兰,致美兰认为,要使我国薄煤层开采实现机械化作业,重中之重是研制适应我国煤矿需要的薄煤层电牵引采煤机。致美兰预计,我国薄煤层电牵引采煤机今后将从以下几个方面得到发展:(1)总装机功率得到进一步提高,总装机功率达到600千瓦~700千瓦,装机功率、机面高度与过煤空间三者之间的矛盾仍然是研制大功率薄煤层采煤机的主要技术难题,除发展新型高效电机外,采用特殊的总体布置方式仍是一条有效途经。由于采煤机截割与牵引功率的增大,采煤机可靠性的提高而具有更高的开机率,日产可望达到4000吨~5000吨,达到现在中厚煤层工作面的生产能力。(2)以发展交流变频调速电牵引技术为主,根据不同用户的需求,其他电牵引方式如开关磁组和电磁滑差调速也将得到发展。(3)发展的机型主要以骑刮板输送机采煤机为主,爬底板采煤机虽然具有机面高度低、功率大等优点,但是由于这种机型对地质条件的适应性差,使用范围受到限制。(4)简化采煤机结构,采用先进工艺与技术,提高采煤机的工作可靠性。(5)改进截割机构,提高截割效率,降低工作面粉尘生成量。采用中高压喷雾降尘,改善工作面生产环境。增加滚筒截深,增大截深可提高每一循环产量。(6)完善采煤机自动控制系统与故障诊断系统,利用煤岩识别技术自动调整截割高度;利用交流变频电牵引技术,自动调整牵引速度;利用红外技术和电液阀技术,引导液压支架和工作面输送机自动推移;工作面巷道集中控制站与采煤机、液压支架、输送机、工作面巷道设备以及地面调度室的双向远程通讯;工作面巷道集中控制站、地面调度室对采煤机等工作面设备的远程集中控制,实现薄煤层工作面自动化开采。(7)开发能适应较大倾角薄煤层生产需要的薄煤层电牵引采煤机。(8)加大牵引速度。
国外主要薄煤层采掘设备
    国外长壁式薄煤层高效开采主要有两种技术途径:采用刨煤机、刮板输送机和液压支架的刨煤机综采机组;采用滚筒采煤机、刮板输送机和液压支架配套的采煤机机组。
    上世纪90年代开始,德国DBT公司开始研究电液控制系统。目前,该公司已经研究开发的以液压支架PM2电液控制系统为基础的全自动化无人刨煤机综采工作面成套设备已经投入生产应用,可以实现薄煤层综合机械化采煤向综合自动化无人工作面采煤的发展,使薄煤层开采达到了高产、高效、安全的目的。
    如德国鲁尔公司佛德利希莱茵兰特矿,煤厚1.3米,面长310米,采用刨煤机和电液控制系统平均日产煤达到12653吨,最高日产16500吨。该公司的罗伯特矿,煤厚1米~1.16米,刨煤机综采工作面面长308米,平均日产原煤13500吨。此外,英国Long-Airdox公司、美国Joy公司也研究开发了具有自动化功能的滚筒采煤机综采工作面计算机控制系统,均取得了较好的成绩。如美国煤钢联BW50#煤矿,煤厚1.38米,工作面长330米,采用采煤机综采,曾创下日产原煤22310吨的记录。此外,澳大利亚正在研制远程控制全自动无人长壁工作面开采技术。为适应“一矿一面”的高度集中化生产模式和煤矿生产集团化管理模式,先进采煤国家研制开发了矿井自动化监测控制系统,主要生产环节已基本实现自动化检测监控,实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水等设备和矿井瓦斯、煤尘等安全参数的全自动化监测和控制。代表性产品有美国MSA公司生产的DAN6400系统,德国BEBRO公司的PROMOS系统等。
    上世纪80年代以来,德国Eickhoff公司研制了SL2300LN、美国JOY公司研制了4LS、英国Anderson公司研制了Electra550等电牵引采煤机,均取得很好效果。1999年全美69个综采工作面中,约27个薄和较薄煤层工作面,日平均产量达5000吨~7000吨。
    目前,世界各国主要采煤国家相继研制成功且技术先进的薄煤层滚筒式采煤机有:德国Eickhoff公司的EDW2170LN、EDW2300LN(德国煤矿使用的滚筒采煤机都是Eickhoff公司制造),英国An2derson公司的AM420、AS270薄煤层电牵引采煤机,日本三井三池的MCLE3002DR7575M等采煤机,基本上可以满足采高0.6米~1.7米煤层的开采需要。其中EDW2300LD、Electra电牵引采煤机、MCLE3002DR7575M型采煤机总装机功率都在300千瓦以上。